基于I-V特性的多晶硅光伏組件故障及失效研究

云 平 ，張志祥，劉 恒

(1.陽光電源股份有限公司中央研究院，合肥 230088；2.合肥工業大學電氣與自動化工程學院，合肥 230009)

0 引言

隨著光伏發電技術的迅速發展，大型光伏電站陸續投入運行，但由于光伏組件安裝在室外環境中，持續暴露在惡劣的環境條件下，各種故障問題日益凸顯。相關研究對多個光伏發電系統進行了為期2年的監測，結果顯示，平均每年因各種故障造成的電能損失約為18.9%[1]。光伏發電系統故障嚴重影響了系統的發電效率，增加了運維的經濟成本，所以，光伏發電系統的可靠性越來越受到關注。光伏組件作為光伏發電系統的核心部件，其可靠性是影響整個系統性能的關鍵。光伏組件常見的故障有陰影和積塵，常見的失效有熱斑、電勢誘導衰減(potential-induced degradation，PID)、旁路二極管失效、隱裂、虛焊等，其中，熱斑的故障率為25%，比重最高且造成的結果最為嚴重[2]。

針對光伏組件故障及失效的研究，HUANG等[3]利用仿真軟件分析了光伏組件老化過程中電參數的變化及功率損失的原因；HARA等[4]分析了PID形成的機理，并通過對光伏組件施加負電壓模擬了PID的產生；GEISEMEYER等[5]分析了熱斑形成的原因，并利用熱成像法預測了最壞遮擋情況與熱斑溫度之間的關系。對這些研究進行總結后發現，現有的研究多從失效機理出發，且多針對單一故障或失效類型進行研究。目前，檢測光伏組件故障的常用方法有電氣測量法、智能檢測法、紅外圖像分析法等，其中，基于I-V特性曲線的電氣測量方法最為簡單有效[6]。本文從實驗測試數據出發，得出多種故障及失效類型下光伏組件的I-V輸出特性曲線，進一步提取了不同故障及失效類型組件的特征，并探索性地針對常見的老化和熱斑失效給出了故障模擬方案，為可能存在的故障及失效提供判別依據。

1 光伏組件輸出特性

1.1 太陽電池數學模型

太陽電池本質上是一個p-n結，當有光照射時，由光生伏打效應產生電壓，接入負載時形成回路；當光照恒定時，太陽電池的電流不變，等效電路中，可將光生電流源看作是一個恒流源。在工程上，太陽電池的常用模型為單二極管模型[7]，如圖1所示。

圖中，I為太陽電池的輸出電流，A；Iph為太陽電池的光生電流，A；U為太陽電池的輸出電壓，V；Id為暗電流(流經二極管的電流)，A；Rs為太陽電池的等效串聯電阻，Ω；Rsh為太陽電池的等效并聯電阻，Ω。

由于失效的太陽電池常處于反向偏壓狀態，所以根據Bishop[8]模型，可得出太陽電池反向偏壓狀態下的輸出特性方程為：

式中，a為與雪崩擊穿相關的電流系數；m為二極管的雪崩擊穿系數；Vbreak為p-n結擊穿電壓，V。

Id的方程為：

式中，I0為反向飽和電流，A；q為電荷常數，值為1.6×10-19；k為玻爾茲曼常數，值為1.38×10-23；T為太陽電池溫度，K；n為二極管品質因子。

根據以上太陽電池的等效電路和反向偏壓狀態下的輸出特性方程，利用Matlab/Simulink仿真軟件，可得出太陽電池在反向偏壓狀態下的模型，如圖2所示，圖中，黑色、藍色、紅色3條曲線的Rsh為逐漸減小。從圖中可以看出，當等效并聯電阻Rsh減小時，處于反向偏壓狀態下的太陽電池(下文簡稱“反偏電池”)的漏電流增加。

1.2 光伏組件失配下的輸出特性分析

由于單個太陽電池的電壓很小，通常由若干片電池串聯成1個子串，為了降低陰影、熱斑的影響，提高發電效率，通常每個子串上都會并聯1個旁路二極管[9]。本文所測試的光伏組件參數如表1所示，每個光伏組件均由3個電池子串串聯組成，每個電池子串由20片太陽電池串聯組成，光伏組件的結構如圖3所示。

表1 光伏組件的參數表Table 1 PV module parameters

光伏組件中的電池在碎裂或遮擋等狀態下會因進光量不同而發生失配，失配電池工作在反向偏壓狀態，導致所在子串的旁路二極管導通[10]。光伏組件的I-V特性曲線是每個子串I-V特性曲線疊加之和，進一步而言，其是由每個串聯的電池I-V特性曲線疊加而成，如圖4所示。圖中，Voci為失配電池的開路電壓；Ic為旁路二極管導通時組件的電流；Vrc為失配電池承受的反向偏壓；為失配電池的短路電流。

假設組件中存在1片失配電池，其余59片電池正常，失配電池的短路電流減小，低于正常電池的，而由于電池之間是串聯關系，所以1個電池子串的輸出電流由其中輸出電流最小的電池決定。在大電流、低電壓區間，失配電池承受的反向偏壓Vrc達到二極管導通條件時，二極管導通，失配電池所在子串不工作；在小電流、高電壓區間，二極管關斷，失配子串正常工作，I-V特性曲線疊加后產生階梯狀。

2 實驗測試與分析

由于陰影遮擋和積塵這2種情況導致的失效組件的數量較多，所以僅從中選擇20塊進行測試。實驗共收集了150塊失效光伏組件，故障和失效類型組件的分布如表2所示。

表2 故障和失效類型組件的分布情況Table 2 Type and distribution of failure and fault types PV modules

利用AV6591太陽電池測試儀對組件輸出特性進行掃描，得到其輸出特性曲線；利用FLIR T420紅外熱成像儀獲取組件的紅外圖像。實驗條件選擇晴朗天氣、輻照度在800 W/m2以上時進行。

2.1 老化

老化是光伏組件中一種常見的失效形式，隨著光伏組件投入運行年限的增加，老化程度也在逐漸增加。一般認為組件的功率衰減超過正常衰減一定比例后即為老化，本文的這一比例定義為5%。選取3組功率衰減分別為5%、15%和25%的組件與正常組件進行對比，測試老化組件的輸出特性，如圖5所示。

從圖5可以看出，老化組件的I-V特性曲線發生了畸變。較正常組件而言，老化組件的開路電壓Voc和短路電流Isc基本保持不變，但最大功率Pm減小；Voc點的斜率絕對值減小，表征為光伏組件的串聯電阻Rs增加。綜上所述，可以用串聯電阻Rs的增大作為故障特征參數來判斷老化失效。

2.2 前板玻璃碎裂

在光伏發電系統的實際運行中，光伏組件可能受到惡劣環境的影響，比如被飛石等尖銳物擊中前板玻璃造成玻璃破裂，嚴重的甚至會造成組件內部電池的不均勻碎裂，導致組件漏電。圖6為碎裂組件的紅外圖像及外觀圖。

由圖6可知，組件玻璃碎裂會導致部分電池發熱，持續運行可能會燒壞電池，存在形成熱斑的風險。

隨著組件前板玻璃碎裂時間的增加，碎裂程度會越來越嚴重。選取幾組玻璃碎裂程度不同的組件進行I-V特性曲線測試，結果如圖7所示。

從測試結果可以看出，前板玻璃碎裂組件的I-V特性曲線存在階梯，且階梯段呈現拋物線特征，這是由于玻璃和電池碎裂的不均勻，疊加導致組件的I-V特性曲線出現拋物線特征。碎裂初期的組件短路電流Isc和開路電壓Voc基本不變；隨著碎裂程度加深，電池損壞嚴重，產生電流能力急劇下降，Isc大幅減小，Voc也相應減小。因此，可以通過前板玻璃碎裂組件的I-V特性曲線的有效階梯段，計算各點斜率，以拋物線特征來判斷前板玻璃破碎。

2.3 旁路二極管短路

在非均勻輻照下，電池輸出電流發生失配時，旁路二極管導通，可有效降低較高反向偏壓對反偏電池的影響[11]。此時功率耗散發生在旁路二極管內，使旁路二極管溫度升高，當超過其安全溫度時，會造成其損壞。旁路二極管短路時組件的紅外圖像及組件電流路徑如圖8所示，I-V特性曲線測試結果如圖9所示。

從圖9可以看出，當子串對應的旁路二極管短路時，I-V特性曲線表征為相應子串的開路電壓缺失。該組件有3個子串，此時有1個二極管被短路，所以其I-V特性曲線的開路電壓約為正常組件開路電壓的2/3，即Voc(二極管短路)=2/3Voc(正常)。因此，可以由開路電壓與標準開路電壓的比例關系來判斷旁路二極管短路失效，以及短路的旁路二極管的數量。

2.4 PID

PID廣泛存在于光伏組件中，組件在外部電勢作用下，玻璃中的Na+離子遷移并聚集在電池表面或進入內部，使p-n結極化或退化。對于p型光伏組件，PID主要導致Rsh降低、FF降低、Voc降低；對于n型光伏組件，PID主要導致Isc降低、Voc降低[12]。PID會導致光伏組件性能衰減，輸出功率下降；一般情況下，PID是可恢復的，通常恢復方式為對光伏組件施加反向電壓[13]。選擇PID衰減程度不同的3個光伏組串進行I-V特性測試，分別為輕度PID、中度PID、重度PID，結果如圖10所示。

由圖10可以看出，組件發生PID時，I-V特性曲線發生了畸變，向坐標軸方向收縮，Voc減小，Isc基本不變；PID越嚴重，組件的Voc減小越多，所以可以通過Voc的減小來判斷PID失效。需要注意的是，PID導致的開路電壓減小與旁路二極管短路所引起的組件開路電壓成比例減小是不同的。

2.5 積塵

光伏發電系統在運行中會受到環境中廣泛存在的灰塵的影響。灰塵沉積在光伏組件表面，導致前板玻璃的透光率降低，使組件接收的輻照度低于清潔組件表面接收的輻照度，且積塵的濃度越高透光率越低，組件接收的輻照度越低[14]。測試多組采用橫向安裝、有不同程度積塵的組件，組件表面的灰塵被雨水沖刷后會在重力作用下堆積在組件底部，造成積灰不均勻。積塵組件外觀如圖11所示，I-V特性測試結果如圖12所示。

由圖12可以看出，組件積塵時，Isc減小，I-V特性曲線有階梯，組件底部子串中的電池積灰嚴重，發生反偏。清潔后，組件輸出特性恢復正常，輸出功率增加。因此，可以通過檢測I-V特性曲線階梯段和短路電流Isc減小來判斷組件積塵失效。

2.6 陰影

陰影遮擋是光伏組件最常見的失效形式之一。光伏組件經常受到云、建筑物等遮擋，山區的大型光伏電站還經常會受到雜草等遮擋。當電池受到遮擋時，會使該片電池的光生電流小于組串的工作電流，導致該片電池處于反向偏置狀態。當被遮擋電池的反向偏壓與該子串中其他未被遮擋電池的正向電壓綜合作用后，達到旁路二極管的導通電壓時，旁路二極管導通，反偏電池發熱形成熱斑。陰影遮擋組件的紅外圖像及組件電流路徑如圖13所示。

對光伏組件中1個子串的單個電池進行逐次遮擋實驗，每次多遮擋該電池1/4面積，結果如圖14所示。當組件中電池被遮擋時，被遮擋電池處于反向偏置狀態，使所在子串的旁路二極管導通，I-V特性曲線出現平坦的階梯，隨著遮擋面積增加，階梯段電流值減小，且階梯段呈平行關系。因此，可以通過檢測I-V特性曲線階梯段來判斷組件的陰影遮擋失效。

2.7 熱斑

熱斑現象普遍存在于光伏發電系統中，在系統運行過程中，光伏組件中的某片電池受到陰影遮擋時，此時被遮擋的單片電池處于反向偏置狀態，作為負載消耗功率并產生熱量，使電池的局部溫度升高，可能形成熱斑，嚴重時還會造成電池的永久損壞，甚至是燒穿組件背板從而引發火災[15]。除了陰影遮擋外，電池內部的缺陷如電池的隱裂、脫焊等也會引起熱斑[16]。

當子串中有熱斑電池時，電流繼續從該子串流過，旁路二極管不導通，熱斑電池流過很高的反向漏電流，導致熱斑電池作為負載持續消耗功率，產生大量的熱量，使熱斑電池溫度升高[17]。熱斑組件的紅外圖像及組件電流路徑如圖15所示。對遮擋不同面積的熱斑電池的組件進行I-V特性測試，結果如圖16所示。

從圖16可以看出，熱斑組件的I-V特性曲線在18～20 V電壓區間出現明顯折線段，這是由熱斑電池的漏電流效應造成的；折線段斜率絕對值越大，則漏電流也越大。因此，可以通過檢測折線段斜率來判斷組件的熱斑失效。

2.8 不同故障和失效類型組件的特征總結

通過對上述各種故障和失效類型組件的I-V特性曲線的分析，總結每種故障和失效類型的特征，如表3所示。

表3 不同故障和失效類型組件的特征Table 3 Characteristics of different failure and fault types PV modules

3 失效模擬

根據以上測試結果可以發現，老化表征為等效串聯電阻增加，熱斑電池具有很大的漏電流。因此，采用對光伏組件外部串聯電阻使其等效串聯電阻增加的方法來模擬老化失效；采用對組件中的電池并聯電阻，起到分流作用，使漏電流增加的方式來模擬熱斑失效。

3.1 模擬老化失效

為模擬老化失效，對光伏組件外部串聯不同的電阻，實驗結果如圖17所示。從圖17可以看出，隨著串聯電阻的增加，組件老化程度增加，I-V特性曲線的畸變越嚴重。當串聯電阻為0～1.0 Ω時，模擬結果與實測老化組件的I-V特性曲線較符合；當串聯電阻為0.5 Ω時，模擬老化組件的功率衰減為15%；當串聯電阻為1.0 Ω時，模擬老化組件的功率衰減為25%，與前文實測老化組件有很好的一致性。通過模擬還可以發現，當串聯電阻超過一定值時，I-V特性曲線出現折線段，這是由于此時串聯電阻占據主導作用導致的。

3.2 模擬熱斑失效

根據熱斑電池漏電流大的特性，采用對正常光伏組件中的電池并聯不同阻值的電阻的方式來模擬熱斑失效，結果如圖18所示。實驗結果顯示，隨著并聯電阻的增加，分流作用越不顯著，階梯段斜率絕對值越小，漏電流也越小。因此，可以通過并聯不同阻值的電阻來模擬不同漏電流大小的組件熱斑失效。

4 結論

本文通過對多種故障及失效類型光伏組件的I-V特性曲線進行分析，提取了不同故障及失效類型組件的特征，得出以下結論：

1)在實際光伏發電系統中，光伏組件存在多種失效形式，在眾多失效模式中，由于光伏組件中的電池進光量不同而發生失配，導致該電池反向偏置是重要的失效原因。

2)研究結果表明：老化失效表征為組件串聯電阻Rs增加，可以通過對正常組件串聯電阻來模擬老化失效；前板玻璃碎裂使組件的I-V特性曲線出現階梯，且階梯段呈拋物線特征；旁路二極管短路使組件的I-V特性曲線缺失相應子串的開路電壓；PID失效表征為組件開路電壓減小；積塵失效使組件的短路電流減小，且I-V特性曲線出現平坦階梯；陰影使組件I-V特性曲線出現平坦階梯；熱斑組件中存在發熱嚴重電池，I-V特性曲線出現折線段，可以通過對正常組件的電池并聯電阻來模擬熱斑失效。

本文的研究結論可進一步為光伏組件故障或失效診斷提供基礎，使運維人員能夠及時采取糾正措施，以防止光伏發電系統長時間運行不佳，從而可最大限度地減少故障或失效造成的功率損失，提高光伏發電系統的性能。